摘 要

本文介绍了一种应用于某雷达系统、基于LDMOS场效应晶体管、S波段连续波功率放大链路的设计思路及实现方法。

【关键词】 LDMOS 功率放大器 连续波

1 概述

微波固态功率放大器是相控阵雷达，特别是有源相控阵雷达发射系统的核心单元，在雷达、通信等领域扮演着重要角色，基于Si，GaAs，SiC和GaN等高性能微波功率放大器对雷达特别是有源相控阵雷达的发展具有重大的影响。高输出功率、高效率、宽频带、高集成度的微波功率放大器是雷达探测低可观测目标与远程目标，提高雷达发射信号反侦察能力，实现雷达多任务、多功能（SAR，ISAR，GMTI，AMTI，火控，敌我识别，电子对抗等）的关键。

本文介绍的放大器为应用于某雷达的课题研究，在S波段200M的带宽内具有连续波100W的输出能力。

2 末级功率放大器类型选择

目前，应用于雷达的半导体功率器件主要有：Si（硅）双极型晶体管、GaAs（砷化镓）场效应管、LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）场效应管、宽禁带半导体功率器件。

Si双极型晶体管由于固有物理特性限制，主要应用于窄脉宽、低占空比条件；GaAs场效应管虽然可以工作在连续波状态，但由于其半导体材料的击穿电压低，导致单管输出功率能力有限；LDMOS场效应管具有较小的热阻，在射频连续波工作状态下具有优异的热稳定性和高效率，单管就可以实现100W的连续波输出能力；GaN（氮化镓）是新一代半导体——宽禁带半导体功率器件，其在S波段具有与LDMOS同等的单管输出能力，效率更高，是功率器件发展的方向。

综合可行性、效率、成本等因素， 选择LDMOS作为此次功放设计的末级功率放大器。

3 工作原理及设计

3.1 功率放大电路工作原理

整个放大链路给定的输入信号为8dBm，要求输出连续波100W，整个链路增益最小42dB。整个放大链路分两级实现，图1为该放大链路的原理框图。

3.2 前级放大器实现

3W放大器功能相对单一，主要是将8dBm的激励信号放大至3W左右，作为末级功率放大器的输入信号。3W放大器采用GaAs器件，其输入、输出在功率管内部进行了预匹配，阻抗均为50Ω，简化了电路设计。在本放大器的调试过程中，并未发现50Ω线上有功率敏感点，所以未对50Ω线进行软件优化，只利用常用微波软件计算出50Ω线的宽度值。但在设计中，由于配合整个组件的布局及信号流向，在该放大器的输出端有一个90度拐角，结果调试中发现拐角点易产生反射使输出功率变小且容易产生振荡，调试拐角点处，功率有较大改善，振荡可消除。

另外，对此器件，在商谈技术协议时要求研制尚将其供电设计成单电源工作方式，简化了系统应用过程中电源设计和组件中的内部走线。

3W功率放大电路应用于组件时的实物如图2所示。

3.3 末级放大器设计

末级功率放大器选用的LDMOS器件单管主要技术指标如表1所示。

末级放大器为了实际应用需要，在厂家给定样板的基础上进行了尺寸优化。另外，此处的LDMOS用于饱和放大场合，对线性没要求不高，因此没有设计温度补偿电路，同时在保证器件输出性能的前提下，对厂家样板使用的元器件种类、数量进行了调整，既节省了空间，同时节省了成本。

为保证器件的有效散热，整个模块采用紫铜作底板，输入、输出匹配电路以及功率管均直接焊接在此紫铜底板上。

前级和末级放大器之间的隔离器因布局需要放置在此模块上，起着前级和末级之间的隔离、匹配作用，能有效保护前级。

末级功率放大器实物如图3所示，图4为应用该功率放大链路的组件实物局部图形。

3.4 隔直电容的选用

末级功率放大器工作在连续波状态，且输出功率至少100W，在如此大功率工作条件下，隔直电容选用时，需要注意发热控制。

放大器隔直电容的作用是隔直流、通高频。隔直电容在电场作用下，由于本身的损耗使电容器发热，其中一部分热量散发到周围环境中，另一部分热量使电容器内部温度升高，导致电容器电性能发生变化。长期受热，介质发生老化，严重时发展成热击穿。温度引起的过热是电容器可靠性下降的重要原因，经试验证明，电容器工作温度愈高寿命愈短。

作为隔直电容的模应足够小，以降低对电路的影响，对阻抗值的精确度要求不严。

末级功率放大器选用的隔直电容为ATC公司（美国陶瓷技术公司）800B系列中的8.2PF电容。通过在实际应用时的测试，此电容的表面温度为75，此温度足以保证长期使用可靠性。

3.5 测试结果

通过多只功率管的测试、评估，末级功率放大器工作电压在28V时就可达到输出大于100W的要求，因此在组件中将其工作电压降额到28V使用，在满足系统指标的同时，也提高了功率管的可靠性。表2为该功放在连续波、工作电压28V，输入8dBm时的典型输出性能。

把模块装配成一个8通道的组件进行测试，其效率大于44%，带内功率起伏小于1dB，各项指标均满足设计要求。

4 结论

本文利用LDMOS功率放大器件设计实现了S波段100W连续波的功率放大，并对其进行了测试。目前，该功率放大器已成功应用于某雷达发射系统，并达到了不错的性能。

参考文献

[1]邢靖，刘永宇.C波段固态功放设计和实验研究[J].现代雷达，2005（06）.

[2]马如涛，樊锡元.微波固态功放组件中的电容器[J].现代电子，1999（01）.

作者简介

王华元（1978-），男，福建省武平县人。大学本科学历。现供职于华东电子工程研究所。主要研究方向为相控阵雷达数字阵列模块及微波电路设计。

作者单位

华东电子工程研究所 安徽省合肥市 230088